«Земные организмы вполне способны достичь других планет»

Многие дети любят придумывать себе разные сверхспособности. Один говорит, что хочет уметь летать, другой — дышать без воздуха, третий — видеть в темноте… И спорят, кто круче. Может ли человек развить в себе такие способности на самом деле? А вдруг такие люди уже существуют? Что для этого нужно? И нужно ли? Об этом рассуждает Олег Гусев, руководитель научного центра регуляторной геномики Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета, профессор медицинского факультета университета Джунтендо (Juntendo University) в Японии, кандидат биологических наук.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Экстремофилы и где они могут обитать

— Олег, ваша тема — организмы-экстремофилы. Давайте разберемся, что это такое. Что мы можем отнести к ним, а что нет?

— Здесь часто имеет место неправильное использование термина. Экстремофил, как видно из названия,— это любитель экстремальной среды. Мы сталкиваемся на практике с такими организмами. Это, к примеру, микроорганизмы, живущие в сверхсоленых озерах, на больших глубинах и при высоких температурах. Эти организмы будут иметь проблемы с выживанием в нормальных для нас условиях, так как их адаптации полностью заточены под экстремальные среды.

То, что мы изучаем,— это совершенно другое. Наши супергерои, как я их называю, не хотят жить в постоянной борьбе «со злом», то есть в экстремальных условиях. Это случается только в некоторой кризисной для них ситуации.

Мы как раз изучаем именно такие организмы, суперспособности которых проявляются, когда вокруг них складывается крайне неблагоприятная среда.

Но, по сути дела, это организмы, которые просто очень хорошо адаптировались к тем неблагоприятным моментам, которые возникают вокруг них.

— Интересно, а человека нельзя к ним отнести? Ведь человек порой вынужден адаптироваться к абсолютно нечеловеческим условиям существования, чтобы выжить.

— Здесь мы переходим в область эволюции социальной и биологической. Действительно, человек как раз тот самый экстремал. Более того, многие странные организмы, например обитающие на дне Марианской впадины или океанические курильщики, были открыты именно людьми-экстремофилами, которые с помощью технических особенностей достигали этих совершенно невозможных глубин.

В нашем случае был такой эксперимент, который и сейчас продолжается, под названием «Биориск» Института медико-биологических проблем РАН, когда европейские и российские коллеги проверяли вопрос, состоятельна ли идея панспермии. Эксперимент собрал коллекцию микроорганизмов, животных и семян растений. Было на практике проверено, что действительно земные организмы вполне могут преодолеть межпланетные пространства и несколько лет находиться в условиях космической среды.

Интервью с биологом Джиной Карал-оглы о том, зачем обезьян спаивают и заражают вирусами

— Как это можно проверить?

— Для такого эксперимента наши космонавты во время выхода в открытый космос установили специальную платформу с соответствующими экспонируемыми организмами на внешней стороне станции. Благодаря такой технической экстремофильности, готовности человека к покорению экстремальных сред эксперимент по поводу состоятельности теории панспермии, возможно, и состоялся.

— Эти организмы выжили в условиях жесткого космического излучения без всяких скафандров?

— Да, это крайне интересная особенность. Нас часто спрашивали, стоило ли оно того. Вы представляете, космические полеты, где очень дорого стоит время космонавтов. Им трудно в открытом космосе работать по шесть часов. И тут биологи говорят: давайте-ка вы еще наш зоопарк поместите на внешнюю сторону космической станции, а потом будете каждый год забирать по одному из больших цилиндров, в которых находятся живые существа.

Но практика показала, что это, во-первых, очень репутационно яркий эксперимент, который привлек огромное внимание, а во-вторых, он позволил открыть массу крайне интересных вещей, сделать ряд крайне интересных наблюдений.

— Например?

— Например, подтвердилась так долго обсуждаемая устойчивость организмов, впадающих в криптобиоз, когда жизнь возможна без воды. Всегда считалось, что в таком покоящемся состоянии один из самых главных врагов — это влажность: лучше быть полностью сухим, чем когда вокруг будет влажно, что частично будет реактивировать «спящие» клетки. Наш космический эксперимент полностью подтвердил это предположение. То есть оказалось, что идеальное хранение для земных криптобиотических организмов — это полный космический вакуум.

Вакуум вообще не является для них преградой, они могут десятилетиями в нем путешествовать. Отсутствие окислительного стресса, молекул кислорода — это для них прекрасная форма защиты.

Более того, приборная металлическая платформа, на которую были установлены эти канистры с живыми организмами, подвергалась очень большим перегревам. Интересно, что в этих условиях, будь эти организмы на Земле, они погибли бы. А в космосе за счет отсутствия теплопроводности нахождение в вакууме позволило выжить таким сухим, обезвоженным существам.

Заражение жизнью

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Вы говорите, что в космосе побывали в том числе животные. О ком речь?

— Это и покоящиеся яйца ракообразных, и, представьте себе, комар-звонец. С тех самых пор мы зовем его чемпионом. Он показал, что потенциал устойчивости к радиационным воздействиям намного больше, чем вся космическая радиация. Десятилетиями идут споры, насколько космическая радиация опасна для человека. Тут нет однозначного ответа, хотя мониторинг влияния космической радиации на космонавтов — это одна из самых длительных программ на борту МКС.

Но практика показывает, что даже с внешней стороны станции, где в сотни раз больше определенного типа излучения, для земных организмов это минимальная проблема. Оказалось, что, возможно, единственное, что защищает нас от вторжения инопланетных существ или, наоборот, заселения Марса земными существами,— это космический ультрафиолет. Его действительно крайне трудно преодолеть живым организмам.

— В том числе вашему комарику?

— У него «кровеносная» система на основе гемоглобина, это очень жестко. Но если обеспечить минимальную защиту от космического излучения, покрыть тонким слоем песка или поместить внутрь, условно говоря, метеорита, то нет ограничений для земных существ преодолеть и эти условия. В общем, толерантность к условиям космического полета, в том числе готовность потерять всю воду и не умереть, для наших организмов оказалась вполне осуществимой.

Это был очень необычный эксперимент, но он стал брендовым знаком. С тех пор понятно, что теория условной панспермии имеет место быть хотя бы потому, что мы показали экспериментально: земные организмы вполне способны при определенных, достаточно суровых условиях преодолевать многолетний космический полет и потенциально достичь других планет.

— Вы стали сторонником этой теории?

— Нет, я стал сторонником кросс-панспермии. Мне стало очевидно, что риск заражения других планет нами вполне реален.

— Почему вы говорите «заражение», а не «заселение»?

— А это на самом деле так. В какой-то момент я стал лауреатом медали имени Зельдовича и комитета исследования космоса COSPAR, в том числе за исследования криобиоза. У COSPAR есть целая комиссия, которая занимается космическим карантином.

Сейчас уже очевидно, что сотни тысяч живых микроорганизмов вместе с марсоходами путешествуют по поверхности Красной планеты, и даже если они находятся не в активной своей фазе, то все равно вполне способны переждать очень долго.

Когда я выступаю перед школьниками, говорю: на Марсе нет воды, но она была раньше. Это факт. Даже сейчас есть немножко. Если мы не видим сейчас активной жизни, можно ли сказать, что ее там вообще нет? Вопрос открытый, потому что даже на Земле оживленно идет проращивание семян, которым десятки тысяч лет. Или оживление замерзших организмов, которым столько же, и наши коллеги из Пущино регулярно показывают, что полная или частичная остановка метаболизма — это очень сильное оружие, которое может годами, десятилетиями, даже тысячелетиями сохранять живой организм.

— Когда я училась в школе, нам говорили, что не может быть жизни в жерлах вулканов или на океаническом дне, потому что там высокие температуры или давление. Что уж говорить про высоты за пределами атмосферы! Но с каждым годом находят живые организмы там, где, казалось бы, не может быть жизни. Есть ли где-то на Земле место, где жизни нет и быть не может?

Академик Маркс Штарк — о том, чему можно научиться у зимнеспящих животных

— Судя по всему, нет, но наши знания об адаптивности жизни постоянно расширяются. Например, «дьявольские черви», нематоды Halicephalobus mephisto, найдены на глубине более 3 км.

Как я уже сказал, мы с удовольствием изучаем группу комаров-звонцов. Наш чемпион, наш любимый объект исследования — личинка-мотыль, которая может жить без воды,— как раз относится к виду Polypedilum vanderplanki этой группы насекомых. Комары-звонцы — настоящие чемпионы по заселению экстремальных экотопов. Даже в Антарктиде существуют насекомые этой группы (кстати, самые крупные из истинно сухопутных организмов этого региона), которые, будучи бескрылыми, путешествуют по снегу, по льду. Температура, близкая к нулю, совершенно не препятствует их активности, несмотря на то что это членистоногие и у них от температуры зависит полный метаболизм. Поэтому жизнь очень адаптивна. Масса биотехнологических продуктов происходит именно из таких организмов, которые освоили очень жесткие условия среды.

— То есть получается, что жизнь уничтожить совершенно невозможно. Сразу возникает вопрос: а что нужно, чтобы сформировать жизнь?

— Наверное, это не моя область. Мы видим, что идут процессы, очень медленные, очень понятные, эволюционные, которые мы можем изучать. А вопросом зарождения жизни я не настолько заинтересован. Мне гораздо интереснее, как это функционирует и эволюционирует.

Но в последнее время мы наблюдаем очень большой бум в этом вопросе. Было показано рядом экспериментов, что такие предшественники биомолекул могут быть получены в лабораториях. Совсем недавно была статья, где было показано, как происходит создание многоклеточности. Мы в рамках своих экспериментов тоже немножко играем в демиурга.

Как создавать супергероев

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Хорошо, ну а как появились сверхспособности?

— Это интересный вопрос. На примере нашего комарика мы видим, что это единичный случай в огромной семье аналогичных насекомых. То есть один из сотен видов взял и научился. Это очень интересный пример для нас, и мы при помощи геномных методов видим, как нужные гены «проникали» в геном и эволюционировали, приобретая новые свойства, внося огромные изменения в физиологию.

— То есть можно, значит, научить отдельно взятый организм каким-то суперспособностям. Но как?

— Есть разные подходы. У нас сейчас бурно развиваются технологии. Мы способны быстро прочитывать геномы, делать массовый скрининг лекарств. Геномная революция все еще идет. У нас в России есть огромная программа «Гентех», где секвенируют массу микроорганизмов из разных странных экстремальных экотопов. И мы тоже накапливаем все больше и больше знаний о том, какие генетические механизмы в таких организмах помогают переживать неблагоприятные условия.

— Можно ли научить этому человека?

— Получая все больше информации, мы задаемся этим вопросом. Как это можно перенести? Как научить человека или отдельно взятую клетку выживать в таких непростых условиях?

Тут есть разные пути. Первый — это брать какой-то самый интересный ген, клетки насекомых вставлять и смотреть, что получится. Мы тоже по этому пути шли буквально в последние несколько лет при поддержке Российского научного фонда с российско-японской командой, с которой мы, кстати, продолжаем работать вместе, несмотря на все наши турбулентности.

У нас родился очень интересный эксперимент — поиграть в зарождение экстремофильности, или экстремальной толерантности. И мы не мудрствуя лукаво решили сделать так: взять все гены из нескольких организмов, которые крайне устойчивы. Наш выбор пал на тихоходок. Благо у нас есть коллеги, которые разводят этих маленьких существ в лаборатории. Конечно, наш неубиваемый комарик. И третий объект, который мы взяли,— это африканские рыбы нотобранхиусы из отряда карпозубых, икра которых может при недостатке воды лежать месяцами и ждать, когда лужа снова наполнится водой.

Мы извлекли всю полноразмерную РНК из клеток. По сути, создали полную коллекцию генов трех организмов. И решили поиграть в маленького креатора. То есть применили технологию, когда в культуру клеток плодовой мушки дрозофилы совершенно хаотично, неконтролируемо стали закидывать эти гены из экстремальных организмов. И смотреть, что же с ними получается, кто из них выживает.

— Что же вы увидели?

— Когда мы увидели выжившие без воды клетки или при каком-то большом осмотическом давлении, то уже технологиями секвенирования индивидуальных клеток начали разбираться, какие же гены экстремофила должны туда попасть. Не раскрывая деталей, могу сказать, что первые очень интересные результаты есть.

Действительно, можно подучивать обычные клетки становиться более сложными и «крутыми». Конечно, до высушивания кота, собаки или человека нам еще далеко. Но в принципе перед глазами у нас есть пример, когда можно научить клетки слабых организмов экстремальной устойчивости.

Это по природе своей очень нежные существа — как и мы, люди, без технологии мало что можем. Мы в достаточно узком диапазоне можем существовать. Хотелось бы его расширить.

— Что все это означает по отношению к долголетию? Будет ли жизнь у таких организмов дольше и здоровее?

— Почему-то исследователи долголетия иногда апеллируют к криптобиотическим организмам. Они думают, что, если тот же комарик обычно живет месяц, но может пролежать 1000 лет и снова ожить, значит, он познал тайну бессмертия.

— Это не так?

— Практика показывает, что вхождение в криптобиоз, состояние обезвоженности, никак не влияет на продолжительность активной жизни. Не уменьшает и не увеличивает, но дает некоторый бонус, потому что это всегда четко связано с адаптацией к окружающей среде. В случае нашего африканского комарика это единственный способ выживать в той среде, в которой он находится, единственное конкурентное преимущество. Поэтому в плане защиты биомолекул, каких-то механизмов борьбы с окислительным стрессом это интересно. Но в плане долголетия, наверное, нет.

Сколько видов тихоходок живет в России?

Нас больше интересует вопрос отрыва от энергетической зависимости. Вот это очень важно. Я часто привожу пример с тестами на ковид. Общеизвестно, что лучше их хранить в лаборатории, в специальных холодильниках. Другое дело — аэропорты, где создавались мобильные точки, там тоже можно было такие тестирования проходить. Они основываются как раз на технологиях безводного хранения, без потери активности реагентов, необходимых для ПЦР-реакции. Многое подсмотрено у таких экстремофильных организмов.

— В том числе в биотехнологическом применении?

— Да, это то, к чему мы апеллируем, когда занимаемся клеточными разработками. Человечество делает много рекомбинантных белков для экспериментов, для конкретной практики генерации лекарственных средств и так далее. Одна из больших проблем — клетки-продуценты имеют достаточно узкий спектр того, что они могут выдержать. Это клетки насекомых, эмбрионы куриц и так далее. И если тестовый белок или некий продукт обладает какими-то необычными свойствами, он, генерируясь внутри этих клеток, не может правильно сформироваться, потому что клетка просто не в состоянии выдержать какого-то колебания среды, кислотности, чего-то еще, что такому белку нужно.

Поэтому вопрос выведения продуцентов из клеточных линий, которые будут более толерантны к разным стрессам и необычным изменениям внутренней и внешней среды,— это чисто биотехнологическая задача, очень реальная, очень понятная.

В случае нашего комара там и промоутеры для генетических конструкций, и хранение этих ферментов, тестов, и продукция полимераз — мы научились делать их в этих клетках, которые можно высушивать. Полимераза, напомню, это белки, нужные, чтобы делать диагностику, например ПЦР-реакцию. Это все очень близко и понятно в практическом применении человека.

Мозг-леденец на службе человечеству

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Какая у вас сейчас цель? Чего вы хотели бы достичь?

— Мы странная команда. У нас целый зоопарк животных. Там разные организмы: их можно замораживать, размораживать и так далее. Сейчас появляется и активно развивается направление анализа процессов, происходящих в отдельных клетках: генетика и транскриптомика отдельных клеток. Кажется, ряд наших организмов, в частности наш любимый неубиваемый сухой комарик, дает здесь крайне интересную возможность. Наш проект называется Dry Brain — «Сухой мозг». Мы точно знаем, что у наших комариков достаточно развитая нервная система — это, по сути дела, дрозофилы. И вот представьте, что в момент криптобиоза, полной остановки метаболизма, мозг превращается в леденец.

— Как это?

— А вот так. В буквальном смысле слова. То есть вода замещается на дисахарид трегалозу. И у нас получается мозг-леденец, в котором не то что поставлено на паузу — все полностью остановлено. А после того как вода снова туда заходит, буквально пять минут — и движение организма возобновляется. Нервная система начинает работать дальше. Эта комбинация крайне интересного феномена и возможности смотреть в глубь индивидуальной клетки — наш самый любимый проект сейчас.

Мы сейчас создаем атлас многообразия клеточных типов в мозге этого уникального организма и пытаемся понять, как можно защитить разные типы клеток.

Вообще, как и что там происходит? Там суперустойчивые клетки, может быть, какие-то механизмы идеальной защиты и идеального восстановления, реактивации? Мы пока этого не знаем. Это целый мир. Хотя всего один организм.

И второе направление я люблю сравнивать с фондовым рынком. Каждый новый инвестор должен ответить себе на вопрос: какие активы меня интересуют? Ты держишь ценную бумагу, у тебя просто капают дивиденды либо ты хочешь, чтобы она была акцией роста?

Мне кажется, наука примерно так и устроена. У нас сейчас очень большая задача, которую можно сравнить с выбором «идеальной акции». Это дивидендные акции, которые и растут, и приносят какой-то доход. Как ни странно, мы постепенно двигаемся в эту сторону с нашими экстремофильными организмами. Мы не просто изучаем, как устроен мозг и как работают отдельные клетки. У нас есть четкий интерес, очень практический. За этот год мы выстроили целую сеть взаимодействия с коллегами из ФМБА, других российских организаций с целью найти новые подходы к предотвращению тяжелейших последствий реперфузионного синдрома, возникающего вследствие восстановления кровообращения в ишемизированных тканях, при инсультах и других ишемических повреждениях.

— Казалось бы, где ишемия, а где комар?

— Закономерный вопрос. Но связь есть. Думаю, вы прекрасно знаете, что одна из стадий повреждения нервной системы сердца возникает именно после операции, когда и кислород, и вода поступают на тромбозный участок и там происходит всплеск окислительного стресса. На самом деле это то же самое, что происходит у комарика. Вот он сидел, такой леденец в криптобиозе, и тут его залили водой. Ткани первым делом испытывают резкий взрыв окислительного стресса. А дальше — мистика. Как может мозг превратиться в леденец и потом перезапуститься? А может! И у нас есть четкая, понятная цель. Мы хотим этот механизм понять и освоить, чтобы защитить наш мозг от повреждения.

— Хотите научиться превращать наш мозг в леденец, а потом обратно?

— Скорее узнать секрет безболезненного путешествия мозга в леденец и обратно. Вообще, сейчас у нас интересная стадия развития научной группы — попробовать сделать «дивидендную акцию научного роста» основной стратегией, комбинируя фундаментальные высокоимпактные исследования с прикладными вопросами. Оказывается, в принципе это возможно. Один из наших любимых экстремофилов — это яйцо с развивающимся куриным эмбрионом. Известно, что куриный эмбрион в норме в яйце развивается в среднем при 37 градусах, но если несушка с гнезда уйдет, то развитие такого эмбриона останавливается под действием пониженной температуры.

Это то, что недоступно нам, млекопитающим. Но распространено у рептилий, птиц — все знают про этот феномен, например, на птицефабриках. Чуть ли не со Средних веков это знание используется, когда нужно синхронизировать выклев.

Но генетическая программа, лежащая за этим вопросом, вообще не изведана. Хотя это фантастически интересная тема, с одной стороны. С другой — абсолютно технологичная, промышленная тема, которая может дать нам понимание, как можно улучшить процесс.

Эту тему мы разрабатываем с коллегами из Всероссийского института животноводства при поддержке программы развития генетических технологий РФ. Сейчас у нас руководство страны обозначило, что отсутствие селекции и генетических технологий птицеводства — это позор для России. И тут мы со своими чисто научными интересами. Этот вектор синтеза и получения практических научных результатов в условиях бифуркации, в которой мы живем,— наша основная цель.

— Вы разобрались, что было раньше — курица или яйцо?

— Пока точно не знаем. Но, видимо, это было яйцо, а из него вылупилась полноценная курица. Какой-то ее предок — недокурица отложила яйцо и так далее. Но мы больше интересуемся, честно скажу, яйцами. Нас интересует именно эта тема, потому что за ней, надеюсь, большое будущее.

Беседовала Наталия Лескова